想知道一片水域里有多少鱼，用不着撒网捕捞，只需取一瓢水就能算出？日前，我国学者在国际知名期刊《分子生态资源》（Molecular Ecology and Resources）上发表封面文章，为环境DNA（eDNA） 定量技术应用提供了新思路，未来或可让生态监测就像“查指纹”一样高效。

相关论文网页

“雁过留声”，鱼儿游过也会留下DNA“指纹”

“我们常说‘雁过留声、风过留痕’，警察破案需要‘循着蛛丝马迹’，而凡是生物存在过的地方就会留下它们的痕迹。同样，鱼儿游过也会在水中留下DNA‘痕迹’。”作为这项课题负责人，上海海洋大学环境DNA技术与水生态健康评估工程中心李晨虹教授解释，eDNA就是指生物体释放至体外环境（包括水体、土壤、空气等）中的 DNA 片段。其来源广泛，一方面源于生物皮肤、鳞片受损导致的细胞脱落，另一方面则来自生物在呼吸、排泄、繁殖等正常生理活动中释放的 DNA。

借助eDNA进行生物监测，是一种高效、灵敏且对生物无损伤的技术手段，在生物多样性评估、濒危物种保护以及入侵生物监测等领域展现出巨大的应用潜力。特别是在实施长江“十年禁渔”等大规模生态保护举措的背景下，传统渔业调查方法受到一定限制，而环境友好型的eDNA技术则凸显其独特的优势和重要性。

李晨虹（右）带领学生在崇明岛水库采样

换新思路，数“基因差异点”代替测浓度

不过，eDNA技术一直有个“痛点”：它能判断“有没有鱼”，却很难说清楚“有多少鱼”。传统方法通过测量DNA浓度来推算种群大小和物种生物量，但诸多因素会影响eDNA 浓度。

“从生物自身的生理活动看，生物的活跃程度、疾病损伤、摄食和繁殖等生理活动会直接影响eDNA 产生的速率；而从环境因素方面考虑，温度、水化学性质、水文条件等因素又会对eDNA 的扩散和降解过程产生影响。”李晨虹解释称，这些因素的综合作用导致eDNA 浓度与环境中生物量之间的相关性较弱，因此直接依据eDNA 浓度来估算环境中物种数量或生物量，其效果往往不尽如人意，难以获得准确可靠的定量结果。

环境DNA技术与水生态健康评估工程中心

为此，李晨虹带领团队另辟蹊径。“换个角度思考，我们可以从基因序列差异的角度来探讨eDNA 与物种数量之间的关系。”李晨虹进一步说明，假设环境中仅存在1个个体，无论其释放的 DNA 浓度高低，其 DNA 序列都是固定的。当存在2个个体时，它们的 DNA 序列会出现一定程度的差异；若存在3个个体，序列差异则会进一步增大。“这就好比一家人的指纹各不相同，若在某地检测到10种不同指纹，就能推测至少有10个人来过。”

值得注意的是，序列差异与个体数量之间的相关性，并不会受到eDNA 浓度变化的影响，这一特性为基于eDNA 分离位点数目估算物种丰度提供了理论基础，也为eDNA 定量研究开辟了新的思路和方向，有望克服传统定量方法的局限性。

分离位点数目和物种个体数相关性原理。图中彩色表示在不同个体之间有差异的位点（分离位点）。随着个体数增加，分离位点数目也成比例增加

虾虎鱼证实原理，不受进食、胖瘦影响

事实胜于雄辩。李晨虹教授带领团队首先通过模拟数据验证分离位点数量在eDNA定量分析中的可行性。“我们先用计算机模拟不同鱼群规模，发现‘差异点数量’与鱼的数量高度相关。”

不同进化速率下分离位点数和个体数的相关性

经过对比筛选，李晨虹选用具有较高的遗传多样性，并且易于饲养的矛尾刺虾虎鱼开展进一步实验。实验设计了鱼的体重、数量及是否投喂等3种变量。在矛尾刺虾虎鱼被饲养3天后，从养殖水体中提取eDNA，并对它们的11个线粒体基因进行富集和高通量测序。随后，从包含不同个体数量的eDNA测序数据中提取分离位点数量，并同步统计DNA拷贝数。

矛尾刺虾虎（Acanthogobius hasta）

结果显示，相较于DNA拷贝数，分离位点数量与样本个体数之间的正相关性更强。这便证实，“差异点数”与鱼的数量匹配度显著高于传统DNA浓度法，且不受鱼是否进食、体型胖瘦的影响。

分离位点数（A）、eDNA拷贝数（B）与个体数的相关性研究（不同颜色标明不同体重组，空心圆圈为未喂食实验，实心圆点为喂食实验）

“我们团队开发基于分离位点数的eDNA定量方法，优于当前主流的eDNA拷贝数法。相比之下，该方法的优势在于不受物种体型、摄食行为等环境变量的干扰，能够更加稳定、精准地评估目标物种的数量。”李晨虹笑着说，无论鱼在吃饭、休息，都不影响差异点数量，有望提升eDNA在物种监测、生态评估及生物多样性研究中的应用精度。未来，研究可进一步拓展至更广泛的生境和目标物种，以验证该方法的适用性，并优化其在实际生态监测中的应用策略。

解放日报·上观新闻记者了解到，这篇国际论文题为 “Estimation of Species Abundance Based on the Number of Segregating Sites Using Environmental DNA (eDNA)”，此项研究受到国家重点研发计划“生物安全关键技术研究”的专项“外来水生生物对水域生态系统的影响及入侵风险评估和防控”资助，论文第一作者为上海海洋大学硕士研究生艾巧云，现在美国密歇根州立大学工作。

图片来源：受访高校

题图说明：环境DNA技术与水生态健康评估工程中心在工作

来源：作者：解放日报 徐瑞哲